ISBN 유기태양전지

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경희 금
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1 ISBN 유기태양전지

2 2 목차 1 장서론 2 장기술동향분석 1 절기술의개요 태양전지의정의및분류 유기태양전지의종류 가. 염료감응형 나. 유기분자형 태양전지의특성평가 절유기태양전지의광전자거동 절염료감응태양전지소재개발동향 염료 n-형산화물 산화 -환원전해질 홀전도체 금속대전극 전도성기판 장문헌특허정보분석 장염료감응태양전지산업시장분석 태양전지시장동향 염료감응태양전지산업동향및시장전망 장결론 참고문헌

3 1 장서론 태양전지는빛에너지를전기에너지로전환하는발전소자로서미래신재생 에너지원이다. 우리는지금까지석유를주에너지원으로사용하고있다. 석 유가주에너지원이된이유는값싸고사용하기편리하기때문이라고생각 된다. 하지만석유는더이상값싼에너지원이될수없을것이라는전망이 나오고있다. 배럴당 30불정도의원유가는 2004년을마지막으로증가하기 시작하여최근에는 70 불수준으로상승하였으며, 앞으로계속오를전망이 다. 유가상승의원인중의하나로석유의매장량한계를들수있다. 석유 는 10-20년안에지금의생산량이지속적으로감소하여향후 50년이내에고 갈의위기에있다. 따라서배럴당 200불수준도가까운장래에현실화될수 있다. 유가상승의문와함께석유, 석탄과같은화석연료는연소할때이 산화탄소와아황산가스와같은대기오염물질을배출하여환경을오염시킬 수있다. 특히이산화탄소는대기중에축적될경우온실효과에의한지구 온난화를초래하여평균온도상승, 해수면의상승등자연재앙을야기하여 인류미래에심각한문를일으킬수있다. 지구온난화의주범인이산화탄 소배출을규하기위하여 1997년 12 월교토의정서를채택하게되었으며, 2005년 2월 16일교토의정서가정식으로발효되어이산화탄소감축프로그 램이작동하고있다. 우리나라는 2013년부터이산화탄소규대상국에포함 된다. 식물의광합성작용은이산화탄소를자연적으로어할수있는방법 중의하나이지만, 현재수준의방대한이산화탄소배출량을조절하기는어렵 다. 따라서화석연료사용을줄여서이산화탄소배출량을감소시켜야하며, 태양에너지, 풍력, 수력과같은재생가능한에너지원 (renewable energy sources) 으로대체하는노력을기울여야한다. 노벨화학상수상자인미국라이스대학의 Smalley 교수는현재우리가사 용하는에너지의대부분은석유와석탄그리고천연가스등에의존하고있 지만 2050년에는약 30에서 60 테라와트규모의에너지중절반이상이태 양광, 풍력, 지열등과같은신재생에너지로대체될것이라고예측하였다. 미래인류가해결해야하는첫번째과인에너지문를심각하게받아들 이고다가올미래의수십테라와트규모의에너지를공급할수있는방법으 로서태양전지와같은효율적인대체에너지기술개발이절실히필요하다. 태양전지 (photovoltaic cell 또는 solar cell) 는광기전효과 (photovoltaic effect) 에의해태양빛을전기로직접변환시키는전기발생장치이다. Photovoltaic 의 photo 는빛을의미하는그리스어 phos 로부터유래

4 2 되었으며, volt 는볼타전지를발명한전기연구의개척자 Alessandro Volta 의이름을따온것이다. 따라서 photo-voltaic 이란 light-electricity 를 의미하게된다. 이미우리생활의중요한한부분을차지하고있는 태양전지는간단하게는시계, 계산기등의전원으로이용되며크게는위성 통신과같은항공우주분야와대규모전기발전소에사용된다. 태양전지는 환경오염을유발하지않기때문에청정재생에너지원으로분류되며, 물질의 종류에따라무기태양전지와유기태양전지로구분될수있다. 본보고서에서는유기태양전지의원리, 최신연구개발동향및 산업전망을소개하고자한다. 특히최근산-학-연의관심이모아지고있는 염료감응형태양전지의기술개발동향을중점적으로소개하고자한다.

5 3 2 장기술동향분석 1 절기술의개요 1. 태양전지의정의및분류 태양전지는광전기효과 (photovoltaic effect) 에의하여태양빛또는인공 빛을전기로변환시키는반도체소자이다. 참고로태양전지에대한 백과사전의해석은다음과같다. (1) 인터넷위키페디아백과사전의정의: 태양전지는광자 (photon) 를전기로 변환시키는반도체소자이다. 종종태양전지는태양광뿐만아니라인공광도 변환시킬수있다. 태양전지는두가지중요한기능에의해작동되는데, 빛을 흡수하는물질의광전하 ( 전자와홀) 발생과분리에의해이루어진다. 이와 같은변환과정을광전기효과라고부르며, 태양전지에관련된분야를 연구하는영역을광전기학 (photovoltaics) 라고한다. (By Wikipedia the Free Encyclopedia ( A solar cell (or photovoltaic cell) is a semiconductor device that converts photons into electricity. Often, despite the term, solar cells can convert not only light from the sun but also light from artificial sources (such as light bulbs). Fundamentally, the device needs to fulfill only two functions: photogeneration of charge carriers (electrons and holes) in a light-absorbing material, and separation of the charge carriers to a conductive contact that will transmit the electricity. This conversion is called the photovoltaic effect, and the field of research related to solar cells is known as photovoltaics.) (2) 맥그로힐과학기술백과사전의정의: 포토볼타익셀 (photovoltaic cell) 은 전자기파의흡수에의해전류나전압또는전류-전압발생에따른 전가지파를감지하거나측정하는소자이다. 특별하게작된포토볼타익 셀은전력생산이나전자기파의감지, 광통신, 분광학, 등에사용된다. 포토볼타익셀의특징은외부의전류또는전압의바이어스가필요하지 않으며, 단지빛의흡수에의해전압이나전류를발생하는디바이스이다.

6 4 (By Science and Technology Encyclopedia, Mc Graw Hill Dictionary ( A device that detects or measures electromagnetic radiation by generating a current or a voltage, or both, upon absorption of radiant energy. Specially designed photovoltaic cells are used for power generation, as in solar batteries or solar cells, and for sensitive detection of electromagnetic radiation in radiometry, optical communications, spectroscopy, and other applications. An important advantage of the photovoltaic cell in these particular applications is that no separate bias supply is needed the device generates a signal (voltage or current) simply by the absorption of radiation.) 따라서태양전지를알기쉽게설명하면 < 그림 1> 에서와같이물질이빛을 흡수하여광전자를발생하고, 발생된광전자는외부도선을따라일을하고 다시물질로돌아가빛에의해광전자를발생하는작동을계속하는 디바이스이다. 마치볼링을할때볼링공 ( 광전자에비유) 이사람의손을 떠난후핀을쓰러뜨린후 ( 일을함) 다시사람에게돌아가는 ( 광전자발생 후생긴홀을채움) 과정과유사하다. 그림 2 태양전지의작동원리 태양전지는구성하는물질에따라실리콘, 화합물반도체와같은 무기소재로이루어진태양전지, 나노결정산화물입자표면에염료가흡착된

7 5 염료감응형태양전지 (dye-sensitized solar cell), 그리고유기분자 (donor-acceptor) 로이루어진태양전지로나눌수있다. 또한태양전지의셀 구조에따라서는반도체 pn 접합형과반도체/ 액체광전기화학형 (photoelectrochemical) 태양전지로나눌수있다. 염료감응형태양전지는 광전기화학형에속하며, 유기분자형은 pn 접합형과유사하다 (< 그림 2> 참조 ). 그림 3 태양전지의분류 2. 유기태양전지 (Organic Solar Cells) 가. 염료감응형 (Dye-Sensitized Type) 반도체접합태양전지와는달리광합성원리를이용한고효율의 광전기화학적태양전지가최근소개되었다. 1991년스위스 Grätzel 그룹에서 보고한염료감응나노입자산화물광전기화학태양전지 [1] 는에너지변환 효율이비정질실리콘태양전지에버금가는높은에너지변환효율과함께 매우저렴한조단가 ( 기존실리콘태양전지가격의약 1/4) 로인하여 연구계및산업계의비상한관심을모으고있다. < 그림 3> 은염료감응태양전지의작동원리및셀구조를보여주고있다. 표면에염료분자가화학적으로흡착된 n-형나노입자반도체산화물전극에 태양빛 ( 가시광선) 이흡수되면염료분자는전자- 홀쌍을생성하며, 전자는

8 46 그림 53 표준조건에서측정한 태양전지단위전지효율 KIST 조염료감응 그림 54 KIST 작투명컬러염료감응태양전지윈도우 ( 오른쪽그림은태양 전지를통해본바깥풍경 ) 염료감응태양전지는기존실리콘태양전지에비해약 4분의 1에서 5분의 1 가격으로매우저렴하기때문에가격경쟁력있는기술품이다. 유럽의 연구기관과대학등에서연생산규모가 1 메가와트또는 4 메가와트경우 단위 m 2 당약 유로정도할것으로예측하고있으며, 더욱값싼소 재를개발할경우현재예측가격보다 것으로보고되었다. (< 그림 54> 참조) 40% 정도더저렴하게조가능한

9 47 그림 55 염료감응태양전지가격분석 염료감응태양전지는 후지키메라조사에따르면빠르면 2006 년현재시장에상품으로출하되지않았지만, 2007년경일본시장에등장할수있다고 예측하였다. 특히이보고서에따라면 2015년에는 2조 6백억원규모의염료 감응태양전지시장이형성될것으로기대하고있다( 표 4 참조). < 표 4> 염료감응태양전지시장전망

48 5 장결론 우리가살고있는지구는현재지금까지인류가뿜어낸이산화탄소로 인해지구온난화에시달리고있다. 지구온난화즉화석연료사용에따른 기후변화는화석연료가격의상승보다더심각한문이다. 화석연료사용의 규, 고유가등전세계는새로운대체에너지확보를위해노력하고있다. 이러한시점에신재생에너지개발과확보는국가의경적부와사회적 안정을함께가져올수도있다.

10 48 5 장결론 우리가살고있는지구는현재지금까지인류가뿜어낸이산화탄소로 인해지구온난화에시달리고있다. 지구온난화즉화석연료사용에따른 기후변화는화석연료가격의상승보다더심각한문이다. 화석연료사용의 규, 고유가등전세계는새로운대체에너지확보를위해노력하고있다. 이러한시점에신재생에너지개발과확보는국가의경적부와사회적 안정을함께가져올수도있다. 태양전지와관련하여, 태양에너지로부터 단위면적당생성할수있는전력량이일본은평균 kwh/m 2 으로 한국의 kwh/m 2 보다낮지만, 정부주도하에태양전지연구개발을 꾸준하게해오고있다. 일본은 2004년및 2005년에는전세계태양전지 시장의 50% 이상을점유하고있으며, 계속되는시장규모의확대로인하여 태양전지관련기업들은이익을창출하고있다. 유럽의대부분국가들도 한국의경우보다예상발전량이더좋지는않다. 그럼에도불구하고일본, 유럽, 미국등은정부주도하에태양전지개발프로그램을활발히진행하고 있다. 실리콘등무기물계태양전지기술에서앞서있는일본은 2030년까지 기술로드맵을발표하고태양광발전단가를일반전기요금 ( 원자력또는 수력발전에의한전기) 수준까지내리겠다는계획을세우고있다 (< 그림 56> 참조). 하지만발전단가를대폭내릴수있는방법은값싸고효율높은 태양전지를개발할경우가능하다. 그림 57 일본의태양광발전로드맵 (NEDO, 2004)

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2009_KEEI_연차보고서 http://www.keei.re.kr KOREA ENERGY ECONOMICS INSTITUTE KEEI ANNUAL REPORT 2010. 5 KOREA ENERGY ECONOMICS INSTITUTE 3 KOREA ENERGY ECONOMICS INSTITUTE 4 KOREA ENERGY ECONOMICS INSTITUTE 5 KOREA ENERGY